Осмоза и тонус. Хипертонични, изотонични и хипотонични разтвори и тяхното въздействие върху клетките.

Въведение

Случвало ли ти се е да забравиш да полееш цветята вкъщи за няколко дни и след това да намериш някога свежата си рукола, увяхнала и оклюмала? Ако ти се е случвало, значи знаеш, че водният баланс е много важен за растенията. Растението увяхва, защото водата напуска клетките му и те губят вътрешното налягане, наречено тургор, което в нормални условия дава опора на растението.
Защо водата напуска клетките? Количеството на водата извън клетките намалява, когато растението губи вода, но количеството йони и други частици в пространството извън клетките остава същото. Това повишаване на концентрацията на разтвореното вещество "привлича" водата и тя преминава от клетките към междуклетъчните пространства чрез процес, наречен осмоза.
Осмоза е нетното преминаване на вода през полупропусклива мембрана от участък с по-ниска концентрация на разтворено вещество към участък с по-висока концентрация на разтвореното вещество. В първия момент това може да ти се стори странно, тъй като обикновено говорим за дифузия на веществата, разтворени във вода, а не за придвижването на самата вода. Въпреки това, осмозата е важна за много биологични процеси и често протича едновременно с дифузията или транспорта на разтворените вещества. Тук ще разгледаме в повече подробности как работи осмозата и защо е важна за водния баланс в клетките.

Как работи

Защо водата преминава от места, където концентрацията на разтворените вещества е по-малка, към места, където концентрацията им е по-висока?
Това всъщност е сложен въпрос. За да му отговорим, нека първо си припомним защо протича дифузията. При дифузията молекули преминават от участък с по-висока концентрация към участък с по-ниска концентрация, не защото молекулите осъзнават в каква среда се намират, а заради вероятността. Когато вещество е в газообразно или течно състояние, молекулите му са в постоянно и случайно движение, блъскат се една в друга или се разминават. Ако има много молекули на дадено вещество в отделение А и няма никакви молекули на това вещество в отделение В, е много малко вероятно, всъщност е невъзможно, молекула случайно да премине от В в А. От друга страна, има много голяма вероятност молекула да премине от А към В. Можеш да си представиш всички тези молекули, които се блъскат в отделение А, някоя от тях ще прескочи в отделение В. Така че нетното движение на молекули ще е от А към В, това ще продължи, докато концентрациите в двете отделения не се изравнят.
При осмозата отново можеш да мислиш за молекули, този път водни молекули, в две отделения, разделени от мембрана. Ако нито едно от отделенията не съдържа разтворено вещество, вероятността молекулите да се преминат към едното или към другото отделение ще е еднаква. Но ако добавим разтворено вещество в едното отделение, ще променим и вероятността водните молекули да напуснат това отделение и да преминат в другото, по-точно, тази вероятност ще се намали.
Но защо? За това може да има няколко обяснения. Едно от тях, което има най-много научна подкрепа е, че молекулите на разтвореното вещество отскачат от мембраната и физически изблъскват водните молекули назад и надалеч от мембраната. Това намалява вероятността водните молекули да преминат през мембраната1,2^{1,2}.
Независимо от точния механизъм, основната идея е, че колкото повече разтворено вещество има във водата, толкова по-малко склонна е тя да премине през мембраната и в съседното отделение. Това води до нетен поток на вода от участъци с по-ниска концентрация на разтворено вещество към участъци с по-висока концентрация на разтворено вещество.
Този процес е илюстриран в примера с бехеровата чаша по-горе. В нея ще има нетен поток на вода от лявото към дясното отделение, докато концентрацията на разтвореното вещество почти се изравни в двете отделения. Забележи, че концентрацията на разтвореното вещество няма да стане напълно еднаква в двете отделения, тъй като хидростатичното налягане, упражнявано от покачващото се ниво на водата отдясно, ще се противопостави на осмотичната движеща сила. Това ще доведе до достигане на равновесие малко преди пълното изравняване на концентрацията на веществото в двете отделения.

Тонус

Способността на извънклетъчния разтвор да кара водата да се движи навътре или навън от клетката чрез осмоза е позната като нейния тонус. Тонусът на разтвора е свързан с неговата осмоларност, която е общата концентрация на всички разтворени вещества в разтвора. Разтвор с ниска осмоларност има по-малко разтворени частици за литър разтвор, докато разтвор с висока осмоларност има повече разтворени частици за литър разтвор. Когато разтвори с различни осмоларности са разделени от мембрана пропусклива за вода, но не и за разтвор, водата ще се придвижи от страната с ниска осмоларност към страната с висока осмоларност.
Трите термина - хипотоничен, изотоничен и хипертоничен, се използват, когато сравняваме осмоларността на клетка с осмоларността на извънклетъчната течност, която я заобикаля.
Бележка: когато използваме тези термини, разглеждаме само разтворени вещества, които не могат да преминат през мембраната.
  • Ако извънклетъчната течност има по-ниска осмоларност от течността във вътрешността на клетката, казваме, че извънклетъчната течност е хипотонична спрямо клетката (хипо означава по-малко). В този случай нетният поток на вода ще е към вътрешността на клетката.
  • В обратния случай, ако извънклетъчната течност има по-висока осмоларност от цитоплазмата на клетката, извънклетъчната течност е хипертонична спрямо клетката (хипер означава повече от). Тогава водата ще напусне клетката и ще премине към участъка с по-висока концентрация на разтворено вещество.
  • В изотоничен разтвор (изо означава еднакъв) извънклетъчната течност има същата осмоларност като клетката, затова няма да има нетно движение на вода към вътрешността на клетката или от вътрешността на клетката навън.
Хопотоничен, хипертоничен и изотоничен са относителни термини. Това означава, че описват отношението на един разтвор спрямо друг що се отнася до тяхната осмоларност. Например, ако течността във вътрешността на дадена клетка има по-висока осмоларност, концентрация на разтворено вещество, в сравнение със заобикалящата я течност, тогава вътрешността на клетката е хипертонична спрямо заобикалящата я течност, а околната течност е хипотонична спрямо вътрешността на клетката.

Тонус при живите системи

Ако дадена клетка се намира в хипертоничен разтвор, водата ще напусне клетката и клетката ще се свие (сбръчка). В изотонична среда относителните концентрации на разтворено вещество и на вода ще са равно от двете страни на мембраната. В този случай няма нетно движение на вода, следователно няма промяна и в размера на клетката. Когато клетка се намира в хипотонична среда, водата навлиза в клетката и обемът ѝ се увеличава (набъбва).
За червените кръвни клетки идеалните условия са изотонични. В тялото има системи, които поддържат хомеостаза (стабилност), и осигуряват постоянното наличие на тези условия. Ако червената кръвна клетка е в хипотоничен разтвор, обемът ѝ ще се увеличи (клетката ще се издуе) и може да се пръсне. Ако е поставена в хипертоничен разтвор, обемът на клетката ще се намали (ще се свие), цитоплазмата ще стане по-плътна, а съдържанието ѝ - по-концентрирано, в тези условия клетката може да умре.
Но за растителните клетки идеалният извънклетъчен разтвор е хипотоничен. Плазмената мембрана на клетката може да се разшири само колкото ѝ позволява плътната клетъчна стена, така че клетката не се пръска или лизира. Всъщност цитоплазмата на растителните клетки е леко хипертонична спрямо средата им. Вода навлиза в клетката, докато вътрешното налягане на клетката, тургорно налягане, не се противопостави на по-нататъшното навлизане на вода.
Поддържането на равновесие на вода и разтворени вещества е много важно за здравето на растението. Ако растението не се полива, извънклетъчната течност става изотонична или хипертонична, което води до загуба на вода от растителните клетки. Следователно и загуба на тургорно налягане, което можеш да забележиш, когато растението увехне. При хипертонични условия, клетъчната мембрана може да се отлепи от клетъчната стена, а цитоплазмата се свива, този процес се нарича плазмолиза (илюстриран в левия панел по-долу).
Тоничността е от значение за всички живи същества, особено тези, които нямат устойчиви клетъчни стени и живеят в хипер- или в хипотонични условия. Например чехълчетата, показани по-долу, както и амебите, които са протисти, притежаващи специализирани структури, наречени съкратителни вакуоли, но не и клетъчна стена. Съкратителната вакуола поема излишъка от вода в клетката и я изпомпва навън. Така вакуолата предпазва клетката от лизиране, тъй като приема водата от хипотоничната среда.
Зареждане